基于SolidWorks的六自由度液压平台运动仿真

运动轨迹或运动参数 , 来研究各驱动液压缸的运动参 数和特性 , 包括平台的建模 、仿真运动过程 、极限位 置 、最大运动量 、干涉等 。
1 液压平台的基本结构设计
液压六自由度运
动平台本体结构包括
上 、下 平 台 , 变 长 杆 系 统 , 链 接 上 、下 平 台和变长杆的铰接元
件, 力传感元件, 位 移传感元件等 , 如图 1
按照 上 面 的 设 计 原 则, 采用的结构尺寸: 上 、下铰接元件的分布 圆半径分别为上平台半 径 ra = 300mm , 下 平 台 图 2 平台设计和分析流程图 半径 rb = 600mm, 液 压
收稿日期 : 2007 - 12 - 10 作者简介 : 杨达毅 , 硕士 , 长春工程学院机电学院副教授 , 主要专业方向 : 机械设计及理论 , 主要从事机械原理 、机械设
able of the mechanism design was verified. It is p roved that the method can enhance the work efficiency, shorten the time lim it for the p roject, imp rove the work quality by using computer virtual technology to verify virtually the work assignment.
212 装配设计 六自由度液压平台的装配设计较为复杂 , 包含万
向节的装配 、液压缸的装配 、力传感器的装配 、位移 传感器的装配等 , 因零件较多 , 为方便装配 , 采用自 底而上的装配方法 。
在具体操作中 , 应该根据机构的运动特点选择合 适的连接形式 , 并对运动元件进行适当的约束 。正确 地选择并使用约束类型和连接形式 , 对能否成功地实 现机构的虚拟装配与运动仿真至关重要 。
211 零件建模 机构设计是和造型设计合为一体的 , 所以必须在
零件模式下绘出零件的立体模型 。 SolidWorks是非常 有效的三维设计软件 , 利用软件进行实体建模十分方 便 。根据部件的形状和尺寸 , 在 SolidWorks软件的零 件模块中利用拉伸 、旋转 、扫描等特征创建方式建立 各个零件的模型 。在建模过程中 , 一定要充分利用各 零部件之间的位置关系和连接关系 , 选择合适的草绘 平面 、参照平面及特征的生成方式 , 即通过合理地设 定各零件之间的父子关系 , 以尽量减少部件上的定位 尺寸 , 提高设计效率 。这里不做具体分析 , 主要零部 件的建模结构如图 3所示 。
利用 SW 软件的零件建模模块 ( Parts) 生成六自 由度液压平台各零件的三维模型 , 其中平台的基座 、 上平台与液压缸联接用万向节的联接座 , 设计比较复 杂和困难 , 因其接触配合面为一空间面 , 与坐标平面 无任何位置关系 , 又要保证下动板处于中间位置时 , 液压缸和两侧的万向节的 4个叉形接头轴线重合 , 并 要保证与 基 座相 接的 万 向节 回 转中 心分 布 在 直 径 600mm 的圆上 , 与下动板相接的万向节回转中心分 布在直径 300mm 的圆上 , 万向节两两成对 , 共 3 对 , 每对回转中心间距 80mm , 圆周分布 (参考图 1 和图 6) 。所以要经过精确空间位置计算 , 利用构建辅助 线 、辅助面 、拉伸等方法完成建模 。
装配体设计中系统自动将最先导入的构件作为固
定构件 (先导入的基座为机架 ) , 其后导入的构件均
为可动构件 , 也可以手动进行修改 , 运动分析模块遵
循这样的原则 。这样根据需要将各零件间赋予不同的
运动副 , 如缸体螺纹连接处及螺纹固定处赋予固定副
( Fixed) , 万向节叉形接头与基座 、下动板支座 、缸
摘要 : 运用虚拟样机技术在 SolidWorks软件平台上构建液压六自由度运动模拟器模型 , 按照机构的结构几何尺寸 , 创 建零件并进行虚拟样机装配 。直接在运动仿真模块 COSMOS Motion中通过设定原动件运动参数进行运动仿真 , 并分析其运 动空间 、运动状态 、检查零件之间的干涉等 。结果表明 , 利用 SolidWorks软件可以对并联机构的虚拟样机三维实体建模和 运动特性分析 , 验证机构设计的合理性 , 为并联机构的实际样机的试制奠定了基础 。
的螺纹 , 根据装配关系会转化成转动副 , 实际机构中
是不运动 的 , 即 转化
的运 动 副 多 数 不 符 合
要求 , 因而 仿真 前不 必改变装 配关 系 , 直
接在 分 析 模 块 中 将 转 化的运动 副去 掉 , 再 根据需要重新定义 。
图 6 液压缸运动副和 运动驱动的定义
( 1) 运动副的定义
图 3 部分零件的建模
本设计为了便于运动分析 , 按照运动特点进行部 件装配 , 即按照部件的运动关系进行分组 , 如液压缸
第 9期
杨达毅 等 : 基于 SolidWorks的六自由度液压平台运动仿真
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体和位移传感器装配为一体 , 而力传感器和液压缸的
活塞杆 、位移传感器的拉杆装配为一体 , 万向节和锁
计 、机械创新等的教学与研究工作 。电话 : 0431 - 85711302, E - mail: ZZX - CC@1631com。
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机床与液压
第 36卷
缸行程为 60mm, 上 、下平台的初始位置高度为 h =
115 ra , 上 、下铰接点之间的距离和上平台端铰接 元件的分布圆之间的关系满足 : l2 = 415 r2a。另外 , 为 了保证铰接元件运动副运动空间的充分利用 , 采用支 座设计使铰接元件在液压缸的中间工作位置时处在原 始状态 (即铰接元件的轴线重合状态 ) 。 2 虚拟样机的建立与仿真
SW 是美国 SolidWorks公司生产的完全基于 NT / W indows平台的集三维机械设计 ( CAD ) 、机构运动 仿真分析和结构有限元分析 ( CAE) 、计算机辅助制 造 ( CAM ) 、大型企业管理 ( PDM ) 等各种功能为一 体的软件 。利用 SW 对六自由度液压平台进行建模和 运动分析 , 必须以三维实体为基础 , 合理选择运动副 和定义连杆的运动驱动 , 从而实现六自由度液压平台 的正确运动仿真 。同其它方法相比 , 该方法可以很容 易解决看起来很复杂的机构系统仿真问题 。依托 SW 强大的运动分析功能 , 能精确地对研究对象进行空间 运动位置及运动参数的计算 , 并可以得出漂亮的虚拟 现实的动画演示 , 能够很好地解决复杂机构的运动规 律问题 。通过建立虚拟仿真环境进行仿真试验研究 , 可以降低实验成本 , 提高实验效率 。并且能够对运动 状态进行仿真 , 检查机构设计的合理性等 , 对实际样 机的设计具有重要的参考和指导价值 。
位移检测元件位移传感器选用 FX211型直流差动 变压器式位移传感器 。它把振荡器 、相敏解调器与差 动变压器封装在一起 , 只需提供稳定的直流电源 , 就 能获得与位移量成线性关系的直流电压输出 。
铰接元件 , 采用万向节铰接设计 。这样 , 在支路 上 , 上 、下万向节各有 2个转动的自由度 , 液压缸伸 缩有 1 个移动自由度 , 缺少的 1 个转动自由度 由液压缸和液压活塞杆 的相对转动实现 。
紧螺母装配为一体等 。
213 运动分析
运动仿真是在成功建立了其装配模型的基础上 ,
通过定义静止部件 、运动部件 , 并为在各起始运动件
上定义驱动电机 、选择连接轴和运动方向 、设定运动
初始条件或参数等一系列操作来实现 。
打开设计树右侧的齿轮标文件夹即为运动分析模
块 ( Cosmos Motion) , 它内置于 SW , 使用 ADAMS /
YANG D ayi1 , CHEN L im in2 (11Changchun Institute of Technology, Changchun J inlin 130012, China; 21Changchun Vocational Institute of Technology, Changchun J inlin 130022, China) Abstract: The technology of virtual p rototype was used to model and simulate the 62dof hydraulic servo p latform based on the soft2 ware of SolidWorks, the motion space, movement state were analyzed, the intervene of the component parts was checked, the reason2
SOLVER求解器 , 能对机构进行静力学和运动学分
析 , 包括运动极限位置分析 、干涉分析 、轨迹跟踪 、
测量 、图表 、动画生成 , 以及为 ADAMS及其它大型
分析软件输出三维设计文件等 。装配体直接应用于分
析模块 , 分析模块会根据零件间的装配关系而赋予零
件间以恰当的运动副 , 表征运动关系 。如液压缸连接
所示 。 下平台为固定平
图 1 六自由度液压 平台装配模型
台 , 上平台是可动平
台 , 采用 6根变长杆机构驱动 。6 根变长支杆采用铰 接在上 、下平台之间的液压缸进行运动驱动 。从模仿 人肌肉的角度出发 , 为体现机构 、检测一体化的思 想 , 将力传感器分别集成在液压平台的 2个平台间的 6个液压缸的缸杆上 , 用 6 个一维拉 、压传感器检测 1个六维力 。
2008年 9月 第 36卷 第 9期
机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS
Sep12008 Vol136 No19
基于 SolidWorks的六自由度液压平台运动仿真
杨达毅 1 , 陈丽敏 2
(11长春工程学院机电学院 , 吉林长春 130012; 21长春职业技术学院机械分院 , 吉林长春 130022)
关键词 : 六自由度并联机器人 ; 虚拟样机技术 ; SolidWorks/COSMOS Motion; 实体建模 ; 运动仿真 中图分类号 : TH137 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 (2008) 9 - 127 - 3
M otion S im ulBiblioteka Baidu tion of 62dof Hydraulic Servo Pla tform Ba sed on SolidW orks
Keywords: 62dof parallel robot; V irtual p rototype technique; SolidWorks/COSMOSMotion; 32D modeling; Movement simulation
0 前言
虚拟样机技术是建造物理样机前对设计对象在计
算机上建立的虚拟模型机 , 利用其完成设计对象功能
动类型 , 根据不同的运动类型 , 可定义为连续 、步进
函数 、谐波函数 、齿条和表达式等方式 。而六自由度
液压平台的运动包括滚动 、仰俯 、转动和 3个平移运 动 , 可根据运动形式的不同给出不同的驱动方式 。
( 3) 运动分析 为保持上动板与基座平行的前提下 , 分别定义 1# 和 2#液压缸或 2#和 3#液压缸的运动为移动 ±25mm (因
的可行性及其工作性能的分析 , 更好地理解系统的运
动特性 、动力特性 , 比较设计方案 , 优化设计 , 提高 产品质量和机械设计效率等 。仿真模型的建立和模拟
现实条件是虚拟样机的重要基础 。笔者设计的六自由
度液压平台因其自由度较多 , 正过程的运动仿真比较 困难 , 进行运动逆过程的仿真 , 即给定末部执行器的
体 、力传感器间的连接为转动副 ( Revolute) , 活塞
杆与缸体 、位移传感器测杆与主体间为圆柱副 ( Cy2 lindrical) 等定义整个平台 。
( 2) 运动驱动的定义
仿真模块提供了位移运动和旋转运动两种运动方
式 , 每种方式提供无驱动 、位移 (角度 ) 驱动 、速
度 (角速度 ) 驱动 、加速度 (角加速度 ) 驱动等运